摘要： 在需要利用光的相干性的場(chǎng)合，如倍頻、光參量振蕩、全息以及光束的相干合成等對(duì)激光器輸出的線寬有嚴(yán)格的要求，這時(shí)就需要對(duì)縱模進(jìn)行選擇。介紹一種小型化單橫模單縱模激光二極管泵浦Nd∶YAG激光器，單脈沖能量3.6 mJ，重復(fù)頻率200 Hz，脈沖寬度16 ns，單橫模、單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。該激光器采用諧振反射器和腔內(nèi)傾斜標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)縱模進(jìn)行選擇，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算比較吻合。該激光器可用作窄脈寬高能激光器的種子源。

關(guān)鍵詞： 二極管泵浦激光器； 單橫模單縱模； 諧振反射器； 傾斜標(biāo)準(zhǔn)具

引言本振-功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)是獲得高能激光輸出的一個(gè)常用方法，本振決定最終輸出光束的光束質(zhì)量和頻譜特性，放大級(jí)則決定輸出光束的功率或能量。對(duì)于MOPA結(jié)構(gòu)的激光器而言，高穩(wěn)定性高質(zhì)量本振的設(shè)計(jì)是成功的關(guān)鍵。能量或平均功率越高，對(duì)本振的要求就越高，空間分布要均勻（單橫模），頻譜特性則要求是單縱模[1]。在需要利用光的相干性的場(chǎng)合，如倍頻、光參量振蕩、全息以及光束的相干合成等對(duì)激光器輸出的線寬有嚴(yán)格的要求，這時(shí)就需要對(duì)縱模進(jìn)行選擇[2]?？v模選擇大致有三方面的技術(shù)：（1）腔內(nèi)傾斜標(biāo)準(zhǔn)具或諧振反射器；（2）改變特定的諧振腔參數(shù)增強(qiáng)腔內(nèi)模式選擇能力，如縮短腔長(zhǎng)，去除空間燒孔效應(yīng)和增長(zhǎng)Q開(kāi)關(guān)脈沖建立時(shí)間等；（3）注入種子。單縱模激光器包括行波腔的環(huán)形激光器、半導(dǎo)體泵浦的單微片激光器、利用飽和吸收體結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具（腔內(nèi)傾斜標(biāo)準(zhǔn)具或多片諧振反射器）的Q開(kāi)關(guān)激光器、注入種子激光器等[35]。本文介紹一種利用腔內(nèi)傾斜標(biāo)準(zhǔn)具和諧振反射器結(jié)合Cr4+∶YAG飽和吸收體調(diào)Q的半導(dǎo)體泵浦單橫模單縱模Nd∶YAG激光器，輸出能量3.6 mJ，頻率200 Hz，脈沖寬度16 ns，M2因子縱向和橫向分別為1.27和1.37。利用該激光器作為種子源，最終獲得3 J，200 Hz，脈寬10 ns的高光束質(zhì)量激光輸出。1激光器設(shè)計(jì)激光器主要由三部分組成：激光頭、LD驅(qū)動(dòng)源和溫度控制系統(tǒng)，采用Cr4+∶YAG被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)以獲得單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以用低精細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行選模，這是采用主動(dòng)Q開(kāi)關(guān)無(wú)法獲得的。采用一個(gè)平面諧振反射器進(jìn)行縱模選擇，諧振反射器的長(zhǎng)度30 mm，還有一個(gè)腔內(nèi)的傾斜標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行粗選，標(biāo)準(zhǔn)具厚度3 mm。激光器諧振腔腔長(zhǎng)300 mm，這樣激光脈沖的寬度大約在15 ns左右。

直角棱鏡和道威棱鏡用來(lái)“折疊”諧振腔，減小縱向尺寸，并且可以提高光路穩(wěn)定性。兩個(gè)四分之一波片在Nd∶YAG激光介質(zhì)中形成扭轉(zhuǎn)模消除空間燒孔效應(yīng)。光楔使光路調(diào)整更加方便，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的可靠性。光闌對(duì)激光輸出的橫模進(jìn)行選擇，保證為T(mén)EM00模。另外對(duì)整個(gè)激光頭進(jìn)行溫度控制，以保證縱模的穩(wěn)定性。泵浦頭采用側(cè)面泵浦，包括六個(gè)準(zhǔn)連續(xù)激光二極管拔條從三個(gè)方向泵浦，LD工作在脈沖體制，重復(fù)頻率200 Hz，脈沖寬度300 μs，最大電流100 A，峰值功率100 W。采用棒狀Nd∶YAG晶體，尺寸為Φ2×55 mm，摻雜濃度為1.1%，激光棒采用循環(huán)水冷卻，激光二極管的熱量通過(guò)銅沉傳導(dǎo)到底面，用熱電制冷片進(jìn)行溫度控制。光學(xué)儀器第35卷

第3期胡文華，等：小型化單橫模單縱模激光二極管泵浦Nd∶YAG激光器

為給激光器提供正常的工作環(huán)境，必須對(duì)激光二極管進(jìn)行溫度控制，使LD輸出波長(zhǎng)與激光工作物質(zhì)的吸收峰吻合，同時(shí)在用作高能系統(tǒng)種子源時(shí)，還要保證激光器的輸出波長(zhǎng)與放大級(jí)激光棒增益截面的最大值一致。圖2是LD輸出波長(zhǎng)與泵浦效率的關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線可以確定LD控溫精度，LD波長(zhǎng)隨溫度的變化率為0.3 nm/℃，則溫控精度應(yīng)該在±3 ℃。泵浦時(shí)激光棒的平均熱負(fù)載不會(huì)超過(guò)3 W，這會(huì)導(dǎo)致激光棒內(nèi)的溫升大約為0.5 ℃，激光棒的熱焦距大約4 m，激光棒內(nèi)熱致雙折射造成的激光功率下降可以忽略不計(jì)。由于激光器采用飽和吸收體調(diào)Q，每個(gè)激光脈沖與觸發(fā)脈沖的延遲時(shí)間有比較大的跳動(dòng)，作為種子源使用時(shí)不利于放大能量的提取，因此在激光器的后反鏡處裝有光電二極管，用來(lái)測(cè)量輸出脈沖激光的幅度和與時(shí)鐘信號(hào)的延遲時(shí)間，用來(lái)反饋控制激光二極管的電流。采用這種方法可以將延遲時(shí)間控制在1 μs（均方根值）以內(nèi)，另外該電路還可以在溫度變化或激光二極管壽命導(dǎo)致閾值提高時(shí)，自動(dòng)控制激光二極管的電流。對(duì)側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬[67]，如圖3所示為泵浦頭結(jié)構(gòu)。激光棒處于中心，通水冷卻，六個(gè)準(zhǔn)連續(xù)二極管分兩層從三個(gè)方向側(cè)面泵浦。二極管之間采用拋毛的反射面，以使得泵浦光能夠多次穿透晶體棒，從而提高泵浦的均勻性，改善光束質(zhì)量。

3結(jié)論通過(guò)采用激光二極管泵浦和諧振腔設(shè)計(jì)獲得單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，創(chuàng)新性的諧振反射器和插入標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計(jì)獲得穩(wěn)定的單縱模輸出，脈沖能量3.6 mJ，脈沖寬度16 ns，重復(fù)頻率200 Hz，垂直和水平方向M2因子分別為1.27和1.37。采用高頻示波器對(duì)激光器輸出波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在連續(xù)工作30 min內(nèi)未發(fā)現(xiàn)多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。激光頭尺寸為55 mm×80 mm×240 mm，電源尺寸為150 mm×150 mm×55 mm，利用該激光器作為本振，采用激光二極管泵浦獲得3 J，200 Hz，脈寬10 ns輸出。另外還用于燈泵激光沖擊強(qiáng)化激光器本振，輸出能量6 J，重頻5 Hz，脈寬10 ns。

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